Wasser: Drahtzieher und Spielball im globalen Klimawandel - Prof. Volkmar Wirth
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Wasser Wasser:: Drahtzieher Drahtzieher und und Spielball Spielball im im globalen globalen Klimawandel Klimawandel Prof. Volkmar Wirth Universität Mainz
Wasservorkommen der Erde Globale mittlere Prozentualer Tiefe [m] Anteil [%] Ozeane 2620 96.5 Polares Eis / Meereis / Gletscher 47 1.7 Grundwasser 46 1.7 Permafrost 0.59 0.02 Seen 0.35 0.013 Bodenwasser 0.032 0.0012 Atmosphäre 0.025 0.00093 Sümpfe 0.023 0.00083 Flüsse 0.0042 0.00015 Biologisches Wasser 0.0022 0.000081
Übersicht • Einige Grundlagen • Der Treibhauseffekt • Hydrologische Extreme Starkregen-Ereignisse (Sommer 2002) Trockenperioden (Sommer 2003) • Wie sieht die Zukunft aus? • Zusammenfassung
distribution of water vapour (Peixoto and Oort 1992) Absolute Feuchte [g/kg] Druck [100 hPa] 2 4 6 8 10 60S 30S EQ 30N 60N 0 5 10 15 Relative Feuchte [%] Druck [100 hPa] 2 4 6 8 10 60S 30S EQ 30N 60N 30% 50% 70% 90%
Clausius-Clapeyron Clausius-Clapeyron How much water vapour does the atmosphere contain in equilibrium with a liquid (solid) surface? Water vapor pressure (hPa) 7% per K temperature
distribution of water vapour (Peixoto and Oort 1992) Absolute Feuchte [g/kg] Druck [100 hPa] 2 4 6 8 10 60S 30S EQ 30N 60N 0 5 10 15 Relative Feuchte [%] Druck [100 hPa] 2 4 6 8 10 60S 30S EQ 30N 60N 30% 50% 70% 90%
how does the water get how is the water removed into the atmosphere? from the atmosphere? incoming energy Evaporation (E) Precipitation (P) Warming ocean
Albedo Albedo Oberfläche Bedingungen Albedo α Wolken 100 m dick 0.4 Albedo = Anteil der 500 m dick 0.7 reflektierten (sichtbaren) See, Ozean Zenitwinkel 30° 0.05 Sonnenstrahlung 60° 0.10 85° 0.6 Eis 0.25-0.35 S S·α Schnee alt-frisch 0.45-0.85 Gras 0.2-0.3 Wald 0.1-0.2 Globales Mittel 0.3 die verschiedenen “Formen” von Wasser haben sehr unterschiedliche Albedo (Einfluss auf Energiebilanz)
Der Treibhauseffekt
Global Global energy energy balance balance
first case: no atmosphere albedo = 0.16 288 W/m2 288 W/m2 incoming outgoing solar radiation terrestrial radiation
Global Global energy energy balance balance energy loss energy flux equilibrium incoming solar radiation energy gain outgoing terrestrial radiation temperature Te system is pretty stable Stefan-Boltzmann
first case: no atmosphere albedo = 0.16 288 W/m2 288 W/m2 incoming outgoing solar radiation terrestrial radiation equilibrium at Ts = -6oC (observed: +15oC)
second case: with atmosphere albedo = 0.3 < 240 W/m2 240 W/m2 outgoing incoming absorption terrestrial solar radiation radiation cold warm terrestrial radiation strongly interacts with the atmosphere (partial trapping)
second case: with atmosphere albedo = 0.3 240 W/m2 240 W/m2 outgoing incoming absorption terrestrial solar radiation radiation less cold system warms system warms warmer equilibrium at Ts = +15oC atmosphere/surface system warms Æ satisfy energy balance
Greenhouse Greenhouse gases gases GHG = Gas which can absorb terrestrial radiation composition of the Earth’s atmosphere Gas content (fraction by volume in dry air) N2 78 % O2 21 % no GHG natural Ar 0.9 % H2O 0–4% CO2 380 ppmv “anthropo- O3 0-12 ppmv greenhouse genic” gases CFC’s tiny fraction ….. …..
Humans increase CO2 (forcing) However the key question is: how does H2O respond! (feedback)
Water Water vapor vapor feedback feedback remember: Clausius-Clapeyron Water vapor pressure (hPa) temperature There are good reasons to believe that the water vapor feedback is positive
HigherTTÆ Higher Æmore moreatmospheric atmosphericHH22O? O? z atmospheric boundary layer ocean
Model simulated change of water vapor in the upper troposphere Del Genio, Science, 2002
the role of clouds?
Role Roleof ofclouds? clouds? solar radiation z cooling warming terrestial radiation ocean
Contradictory Contradictoryrole roleof ofclouds clouds z cooling short wave radiative forcing: -48 W/m2 long wave radiative forcing: +31 W/m2 warming net effect of clouds: -17 W/m2 cooling ocean
Einfluss Einflussder derWolken? Wolken? Erwärmungseffekt Abkühlungseffekt überwiegt überwiegt
Role of clouds in different climate models 2xCO2 – 1xCO2 IPCC 2001 • large uncertainties • possibly right for the wrong reasons
Hydrologische Extreme 1. Starkregenereignisse
August 2002 ¾ Elbehöchststand seit Jahrhunderten ¾ Extreme Niederschläge im Erzgebirge ¾ ca 10 Mrd. Euro Schaden
Niederschlag Niederschlag10.-13. 10.-13.August August2002 2002 Höchster Wert in Zinnwald- Georgenfeld (südlich von Dresden): 353 mm / 24 Std. (Quelle: DWD)
Quantifizierung Quantifizierungvon vonNiederschlag Niederschlag Durchschnittliche Werte: pro Jahr pro Tag Mainz 587 mm 1,6 mm Kemptner 2000 mm 5,5 mm Hütte globales 1000 mm 2,7 mm ca. 600 mm Mittel pro Jahr Zinnwald-Georgenfeld (August 2002): A = 1 m2 Æ ca. 600 Liter 353 mm / 24 h
Wie kann es 353 mm in 24 Std. regnen? Wieviel Wasserdampf enthält die Atmosphäre Feuchte muss unter normalen (a) kontinuierlich durch den Wind herangeschafft werden Bedingungen? (b) lokal zum Ausregnen gebracht weden z z reicht für ca. 25 mm Niederschlag
Niederschlag verursacht durch das Tief Ilse 2 Meteosat Satellitenbild (IR Kanal) vom 12. August 2002 Zyklonen- zugbahn Vb
Feuchtetransport durch das Tief Ilse 2 Quelle: G. Zängl (2004) 850 hPa Geoptential und Wind Bodendruck (durchgezogen) und (Konturen und Symbole) und 500 hPa Geopotential (gestrichelt) potentielles Regenwasser am 12. August, 06 UTC (schattiert) am 12. Aug., 18 UTC (Max.: 45 mm pot. Regenwasser)
Eine Eine Summe Summe von von Faktoren Faktoren 1. Zugbahn Vb mit Feuchtetransport aus dem Süden 2. Orografisch erzwungenes Aufsteigen am Erzgebirge Æ Staueffekt und lokales Ausregnen 3. Tief nahezu stationär 4. Vorher schon zwei Episoden mit Starkniederschlägen Æ Boden gesättigt !
Hydrologische Extreme 2. Trockenperioden
Sommer 2003 Sommer 2003 ¾ Über Wochen andauernde extrem hohe Temperaturen ¾ Maximum in Deutschland: 40.2 Grad C ¾ Sehr wenig Niederschlag ¾ >25000 zusätzliche Tote (bes. Frankreich)
Verhältnisse Verhältnissein inder derSchweiz Schweiz Sommertemperatur 2003 liegt 5.4 Standardabweichungen über dem Mittelwert (Standardabwichung ermittelt aus den Jahren 1864-2000) Schär et al. 2004 Sommer 2003: seltener als 1x alle 10000 Jahre
Sommer Sommer2003: 2003:sehr sehrtrocken trocken Niederschlag Deutschland, Sommer, Flächenmittel 1901-2003 400 1927 1954 1956 1931 350 1910 1966 1980 Niederschlagssummen in mm 1987 2002 300 250 200 1964 1921 1949 150 1947 2003 1983 1976 1904 1911 Quelle: 100 Schönwiese 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 et al. 2003 Zeit in Jahren
Hochdruckkeil Hochdruckkeil über über Westeuropa Westeuropa
Synoptische SynoptischeEntwicklung Entwicklungüber überEuropa Europa Juni Junibis bisAugust August2003 2003 Daten: ECMWF-ERA Bearbeitung: B. Wecker, D. Reinert
Verstärkung Verstärkungder derHitze Hitzedurch durch Austrocknen Austrocknender derBöden Böden Hochdrucklage: • Südwind • Hitze • Sonnenschein • Trockenheit Lange Dauer Æ Austrocknen der Böden (dauert 1-2 Monate!) eingestrahlte eingestrahlte Energie Energie Verdunstung Erwärmung Erwärmung Verdunstung normaler Boden trockener Boden
Wie sieht die Zukunft aus? Wie ändert sich der Wasserkreislauf in einem sich ändernden Klima?
Wir gehen von einem anthropogenen Klimawandel aus Fragen: 1. Wie wirkt sich der auf den Wasserkreislauf aus? 2. Speziell: die hydrologischen Extreme?
Projektionen Projektionen der der Klimamodelle Klimamodelle ¾ Mehr Niederschlag im Winter ¾ Zunahme hydrologischer Extreme im Sommer weniger Niederschlag im Sommer (siehe Sommer 2003) …. … aber Zunahme von sommerlichen Starkniederschlägen (siehe Sommer 2002) PARADOX...
Wasserspeicherkapazität Wasserspeicherkapazitätder derAtmosphäre Atmosphäre zur Erinnerung: Clausius-Clapeyron +7%/K temperature Atmosphäre 25 mm Wasser(dampf) Ozean / Erdoberfläche
Niederschlag Niederschlag10.-13. 10.-13.August August2002 2002 (Quelle: DWD) Höchster Wert in Zinnwald- Georgenfeld (südlich von Dresden): 353 mm / 24 Std. ΔT = 5oC Clausius-Clapeyron: 35% mehr Wasser. Æ 477 mm / 24 Std.
Wie Wiewirkt wirktdie dieKlimaveränderung Klimaveränderungauf auf den denNiederschlag NiederschlagP? P? Wasserspeicherkapazität der Atmosphäre: • hängt stark von T ab (Clausius-Clapeyron) • 7% mehr Wasser pro Grad Erwärmung Im Einzelfall steht deutlich mehr Wasser für P zur Verfügung ¾ Extremniederschläge könnten zunehmen aber: nehmen Niederschläge insgesamt zu?
Wie Wiewirkt wirktdie dieKlimaveränderung Klimaveränderungaufauf den denmittleren mittlerenNiederschlag? Niederschlag? ¾ Auf lange Sicht global gemittelt gilt: Niederschlag P = Verdunstung E ¾ Verdunstung von der Oberfläche erfordert Energie! eingestrahlte P und E wird durch determiniert, nicht durch T! Energie >25 25 mm Atmosphäre Wasser(dampf) Wasser(dampf) E (> (2.7 2.7 mm/Tag) mm/Tag) P (>2.7 (2.7 mm/Tag) mm/Tag) Ozean / Erdoberfläche
Klimamodelle: Zunahme des Niederschlags in Abhängigkeit der Erwärmung Allen and Ingram (2002) ΔP = 2%/K (viel weniger als CC = 7%/K!)
Residenzzeit Residenzzeitdes desWassers Wassersininder derAtmosphäre Atmosphäre Speicherterm 25 mm Residenzzeit = = = 9 Tage Fluss 2.7 mm/Tag eingestrahlte Energie 25 mm Atmosphäre Wasser(dampf) E (2.7 mm/Tag) P (2.7 mm/Tag) Ozean / Erdoberfläche
Residenzzeit Residenzzeitdes desWassers Wassersininder derAtmosphäre Atmosphäre +7%/K Residenzzeit von Speicherterm Wasser in der Atmosphäre Residenzzeit = +2%/K erhöht sich Fluss eingestrahlte Energie 25 mm Atmosphäre Wasser(dampf) E (2.7 mm/Tag) P (2.7 mm/Tag) Ozean / Erdoberfläche
Veränderung Veränderungdes deshydrologischen hydrologischenKreislaufs Kreislaufs Wasserspeicherkapazität der Atmosphäre erhöht sich Residenzzeit von Wasser in der Atmosphäre erhöht sich stärkere Niederschläge im Einzelfall gleichzeitig: Möglichkeit für längere Trockenphasen
Zusammenfassung
Wasser Wasser in in der der Atmosphäre Atmosphäre Drei Phasen: gasförmig, flüssig, fest physikalische Eigenschaften (Strahlung/Albedo) Treibhauseffekt: Wasserdampf: wichtigstes Treibhausgas Wasserdampf-Rückkopplung Rolle der Wolken Hydrologische Extreme Sommer 2002, Sommer 2003 Wasserkreislauf bei Klimaänderung? Wasserspeicherkapazität Residenzzeit Æ Zunahme von hydrologischen Extremen
Vielen Dank!
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